第五节 固体流态化
固体流态化—颗粒-课件
颗粒及颗粒床层的特性
• 1.学习目的 • 通过学习掌握确定颗粒、颗粒床层特性参数以及流体
流速床层压降的计算方法。 • 2．本知识点的重点 • 球形颗粒和非球形颗粒的大小和特性参数的计算，特
别是非球形颗粒球形度及体积当量直径的计算。 • 颗粒群粒度分布及平均粒径的计算。 • 床层孔隙率、比表面积及压降的计算。 • 3．本知识点的难点 • 本知识点无难点。
• 2．颗粒的当量直径
• 工程中，经常将非球形颗粒以某种“当量”的球形颗粒来 代替，以使非球形颗粒的某种特性与球形颗粒等效，这一 球粒的直径为当量直径。当量直径表示非球形颗粒的大小。 根据不同方面的等效性，通常有两种表示方法；
• （1）等体积当量直径 颗粒的等体积当量直径为与该颗粒 体积相等的直径，即
• （2）净化分散介质。某些催化反应，原料气中夹带有杂志 会影响触媒的效能，必须在气体进反应器之前清除催化反应 原料气中的杂质，以保证触媒的活性。
• （3）环境保护与安全生产。为了保护人类生态环境，消除 工业污染，要求对排放的废气、废液中的有害物质加以处理， 使其达到规定的排放标准；很多含碳物质与金属细粉及空气 混合会形成爆炸物，必须除去这些物质以消除爆炸的隐患。
二．非均相混合物分离方法的分类
三．非均相混合物分离的目的
• （1）收集分散物质。例如收取从气流干燥器或喷雾干燥器 出来的气体以及从结晶器出来的晶浆中带有的固体颗粒，这 些悬浮的颗粒作为产品必须回收；又如回收从催化反应器出 来的气体中夹带的催化剂颗粒以循环使用。再如某些金属冶 炼过程中，有大量的金属化合物或冷凝的金属烟尘悬浮在烟 道气中，收集这些烟尘不仅能提高该种金属的收率，而且是 提炼其它金属的重要途径。
一．单一颗粒的特性
• 表述颗粒特性的主要参数为颗粒的形状、大小（体积）及表面积。 • （一）球形颗粒 • 不言而喻，球形颗粒的形状为球形，其尺寸由直径d来确定，其它有关参数均可表示为 • 直径d的函数，诸如 • 体积
第5章的固体流态化
强化了颗粒与流体间的传热、传质
易于连续自动操作
颗粒易磨损
反混，颗粒在床层内的停留时间不均
5.4.2 流化床的流体力学特性
一、流化床的压降
1. 理想流化床
理想情况下Δp-u关系曲线
一、流化床的压降
2. 实际流化床
气体流化床实际Δp-u关系曲线
二、流化床的不正常现象
1.腾涌现象
腾涌发生后Δp-u关系曲线
一、概述
气力输送的优点 （1）可长距离连续输送，自动化操作，生产效率高。
（2）设备结构简单、紧凑，占地面积小，使用、维 修方便。
（3）输送系统密闭，避免了物料的飞扬、受潮、受 污染，改善了劳动条件。 （4）可在运输过程中（或输送终端〕同时进行粉碎、 分级、加热、冷却以及干燥等操作。
一、概述
混合比R（或固气比） 单位质量气体所输送的固体质量，即
二、流化床的不正常现象
2. 沟流现象
沟流发生后Δp-u关系曲线
三、流化床的操作范围
流化床的操作范围应在临界流化速度和带 出速度之间。 1．临界流化速度umf 实验测定：
实验装置如右图
三、流化床的操作范围
可得到曲线
临界流 化速度
三、流化床的操作范围
经验关联式计算： 对于小颗粒
umf d p 2 ( s ) g 1650
三、流化床的操作范围
2．带出速度 当流化床内气速达到颗粒的沉降速度时， 大量颗粒会被流体带出器外，因此，颗粒带出 速度即颗粒的沉降速度。
三、流化床的操作范围
3．流化床的操作范围与流化数 带出速度与临界流化速度的比值反映了流化 床的可操作范围。 对均匀细颗粒 对大颗粒
ut / u ut / u
mf mf
化工原理实验答案
壁温是靠近蒸汽侧温度。因为蒸汽的给热系数远大于冷流体的给热系 数，而壁温接近于给热系数大的一侧流体的温度，所以壁温是靠近蒸汽侧温 度。 而总传热系数 K接近于空气侧的对流传热系数 5.如果采用不同压强的蒸汽进行实验，对 α关联式有何影响 ？ 基本无影响。因为 α∝(ρ2gλ 3r/μd0△ t)1/4，当蒸汽压强增加时， r 和△ t 均增加，其它参数不变，故 (ρ2gλ 3r/μd0△ t)1/4变化不大，所以认为蒸汽压强 对 α关联式无影响。
和湿度 7、在干燥过程中 l 若增加干燥介质空气的流速，则有 气速增加，物 料的干燥速度变大 气速增加， 临界湿含量的值变大 气速增加， 平衡 湿含量的值不变 8、在实验过程中 l 若进口空气的性质恒定，预热器的出口温度越高， 则 干燥速度越高 临界湿含量越高 9、在降速干燥阶段，若空气的干球温度为 t，湿球温度为 tW ，露点 为 td，物料表面温度为 tm，则有 tm > tw 10、在干燥过程中 l 若待干燥物料一定，改变干燥介质空气的性质， 下列参数不发生变化的是 结合水分
实验四 1.实验中冷流体和蒸汽的流向，对传热效果有何影响 ? 无影响。因为 Q=α A△tm ，不论冷流体和蒸汽是迸流还是逆流流动，由 于蒸汽的温度不变，故△ tm不变，而 α和 A 不受冷流体和蒸汽的流向的影响， 所以传热效果不变。 2.蒸汽冷凝过程中，若存在不冷凝气体，对传热有何影响、应采取什么 措施？ 不冷凝气体的存在相当于增加了一项热阻，降低了传热速率。冷凝器 必须设置排气口，以排除不冷凝气体。 3.实验过程中，冷凝水不及时排走，会产生什么影响？如何及时排走冷 凝水？ 冷凝水不及时排走，附着在管外壁上，增加了一项热阻，降低了传热速 率。在外管最低处设置排水口，及时排走冷凝水。 4.实验中，所测定的壁温是靠近蒸汽侧还是冷流体侧温度？为什么？ 传热系数 k
固体流态化技术
因此，在流化床的范围内，每一个表观气速u对应一个空隙率， 表观气速越大，空隙率也越大。只要颗粒悬浮状态，表明流体 通过空隙时的实际速度u1不变，始终为颗粒的ut 。
2015-6-3 7
（2）流化床
需要特别指出的是，流化床原则上应有一个明 显的上界面。在此界面之下的颗粒，u1=ut 。
假设某个悬浮的颗粒由于某种原因离开了床层 而进入界面以上的空间，在该空间中（ε=1.0） 该颗粒的表观速度u即为其真实速度u1 u=u1＜ut 故颗粒必然回落到界面上。
2015-6-3
10
5.4.3 流化床的主要特性----恒定的总压降 流化床的横截面积A ,床层高度L ，床 内所有颗粒的质量m ，颗粒的密度ρp 流体的密度ρ，截面1的压强P1 ，截面 2的压强P2 。 方向向上的力之和=方向向下的力之和
P2
L
P1 A
总床层 高度上 的压降
m
p
g P2 A mg
P1
流体
mg m 1 P1 P2 g A p A
如果忽略 P P mg 1 2 浮力 A
2015-6-3
特别注意：总床层高度上的压降近似等于单位 截面床内固体颗粒的重量，与流体速度无关， 是定值。但是，单位床层高度上的压降随着流 体速度增加而减小。 11
注意：在流化床的范围内，随着气体速度的增加，床层高度L逐 渐增加，尽管总床的压降基本不变。但是，单位床层高度上的 压降是变化（减小）的。 pf,L1 L1 mL1 例5－4床层固存量的近似估计 mL g 在某一各处均匀状态的流化床中，pf,L
由此可见，流化床存在的基础是大量颗粒的群 居。群居的大量颗粒可以通过床层的膨胀以调 整空隙率，从而能够在一个相当宽的表观速度 范围内悬浮于流体之中。这就是流化床之可能 存在的物理基础。
固体流态化-中国石油大学化工原理(DOC)
化工原理固体流态化与非均相物系的分离班级：卓越11-2班姓名：徐向东韩月阳甄宇匡崇1.固体流态化1.1定义将大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，从而使颗粒具有类似流体的某些表观特性，此种流固接触状态称为固体流态化。
1.2流态化分类1.2.1按流化状态分类（1）聚式流态化：气固流化床床层中存在气泡相和乳相，气泡中只有很少的或者没有固体颗粒存在，在乳相中颗粒的浓度要比气泡中大得多。
气泡在上升过程中也会不断合并增大，致使床层出现较大的不稳定性。
气泡上升最后冲出床层，床层表面有较大的波动，不时有固体颗粒被抛出，然后由于其重力落回床层。
气固流化床在工业中应用的最多。
气固流化系统基本上均呈聚式流化状态。
（2）散式流态化：床层处于散式流化态，床内无气泡产生，当床层膨胀时，固体颗粒之间的距离也随之增加。
虽然固体颗粒和流化介质之间有相互强烈的扰动作用，但他们在流化介质中的分散程度也相对较为均匀，处于相对的稳定状态，所以也叫平稳流态化。
多出现于液固流态化系统。
1.2.2按流化介质分类（1）气固流态化：以气体为流化介质的流态化过程，使工业生产中使用的最多的流态化过程，如流化床锅炉燃煤生产蒸汽。
（2）液固流态化：以液体为流化介质的流态化过程，在工业上用于湿法冶金、离子交换、生物化工、聚合反应和吸收等。
（3）液气固三相流态化：以液体、气体为流化介质的流态化过程，流化床内存在有气液固三相。
1.3流态化在工业中的应用1.3.1物理过程中的应用1.3.1.1物料输送被流化的固体颗粒可以像流体一样流动，如图所示的气垫装置，它是由上下两个槽组成，中建由一层类似于筛网的多孔类或编织物隔开。
这种输送装置消耗的能量适中，没有运动部件，适于输送干燥的细微颗粒。
现用于水泥工业，纯碱工业，锅炉烟气所带出的飞灰、面粉和树脂的输送。
1.3.1.2细粉的混合采用流态化技术可以较容易的将不同种类的粉末物料达到均匀混合。
要将两种粉末混合只要将其流化，物料经上升管上升再经床层下降，经过多次循环之后即可到达均匀混合的目的。
固体流态化及气力输送课件
某石油化工企业固体流态化与 气力输送集成系统优化
案例三
某造纸企业固体流态化与气力 输送技术集成创新
案例四
某新能源企业固体流态化与气 力输送技术在生产中的应用
THANKS
压送式气力输送是利用正压将物料从进料口压入管道，再通过气流将其输送到目的 地。
气力输送的应用
气力输送广泛应用于化工、食品、医 药、电力等工业领域，用于原料的运 输、产品的包装和加工等环节。
在食品和医药领域，气力输送可用于 无菌、无尘的环境下输送散装物料， 如谷物、糖、药片等。
在化工领域，气力输送可用于粉状和 颗粒状物料的输送，如煤粉、化肥、 塑料粒子等。
根据应用领域的不同，可以分为化工 流态化、生物流态化、食品流态化等 类型。
根据流体作用力分类
根据流体作用力的不同，可以分为重 力流态化、气流化、搅拌流态化等类 型。
流态化技术的应用
化工领域
在化工领域中，固体流态化技术 广泛应用于反应、分离、干燥、 混合等工艺过程中，如石油工业
中的油品加工、化学反应等。
03
集成化
随着生产工艺的复杂化，固体流态化和气力输送技术将趋向于与其他工
艺技术集成，形成完整的生产系统，提高生产效率。
未来挑战与展望
技术创新
未来仍需不断探索新技术、 新方法，突破现有技术的瓶 颈，提高固体流态化和气力 输送的效率和稳定性。
智能化水平
加强智能化技术的应用研究 ，提高系统的自动化和智能 化水平，实现更加精准的控 制和优化。
环保要求
关注环保要求，加强绿色技 术的研发和应用，降低固体 流态化和气力输送对环境的 影响。
行业标准
制定和完善行业标准，规范 市场秩序，促进固体流态化 和气力输送行业的健康发展 。
《固体流态化技术》课件
新型流态化技术的研发
随着科技的不断发展，新型流态化技术也不断涌现，如气固 流态化技术、液固流态化技术等，这些新型流态化技术具有 更高的效率和更好的应用前景。
新型流态化技术的研发需要不断探索和尝试，通过实验和模 拟等方式，不断优化和完善技术参数和工艺条件，提高技术 的应用效果和可靠性。
智能化与自动化的提升
进一步拓展。
技术局限
颗粒大小限制
固体流态化技术对固体颗粒的大小有 一定要求，过小的颗粒可能导致技术 效果不佳。
操作参数敏感
该技术的操作参数较为敏感，需要精 确控制以获得最佳效果。
高成本
固体流态化技术的设备成本较高，增 加了应用成本。
稳定性问题
在某些情况下，固体流态化技术的稳 定性有待提高。
技术挑战与前景
01
化工
用于反应、分离、混合等工艺过 程，如石油化工、化学反应工程 等。
02
03
能源
环保
用于煤炭、生物质等固体燃料的 燃烧、气化、热解等过程，提高 能源利用效率。
用于固体废弃物的处理、处置和 资源化利用，如城市垃圾焚烧、 工业废弃物处理等。
02
固体流态化技术的原 理
基本原理
固体流态化技术的基本原理是利用流 体对固体颗粒进行作用，使固体颗粒 呈现出流体的某些特性，从而实现固 体颗粒的流动和运输。
04
固体流态化技术的优 缺点
技术优势
高效性
固体流态化技术能够实现连续 、大规模的物质处理，提高了
生产效率。
节能环保
该技术能够降低能耗，减少环 境污染，符合绿色发展理念。
灵活性
固体流态化技术适用于多种不 同性质的固体颗粒，应用范围 广泛。
可扩展性
固体流态化实验
4固体流态化实验4.1实验目的(1)掌握测定颗粒静态床层时的静床堆积密度ρb 和空隙率ε的方法； (2)测定流体通过颗粒床层时的压降Δp m 与空塔气速u 的曲线和临界流化速u mf ; 4.2实验原理 4.2.1固定床 1)基本概念当流体以较低的空速u 通过颗粒床层时床层仍处于静止状态，称这种固体颗粒床层为固定床。
床层的静态特性是研究床层动态特性和规律的基础，其主要的特征有静床堆积密度ρb 和空隙率ε两个，它们的定义分别如下：1.静床堆积密度：ρb =M/V,它由静止床层中的固体颗粒的质量M 除以静止床层的体积V 计算而得。
ρb 数值的大小与床层中颗粒的堆积松紧程度有关，因此ρb 在流体通过颗粒床层时不是一个定值，如颗粒床层在最紧与最松两种极限状态时，ρb 就有两种数值，它们的大小在床层最紧与最松时分别测量出相应的床层高度就可以计算得到。
2.静床空隙率ε:ε=1–(ρb /ρs ),它是由颗粒的静床堆积密度ρb 和固体颗粒密度ρs 计算而得。
2)固定床阶段压降Δp m 与空速u 的关系当流体通过固定床的空速较小时，床层的高度基本不变；当流体空速趋于某一临界速度时，颗粒开始松动，床层才略有膨胀。
因此，在此临界速度以前，单位高度的床层的压降(Δp m /L)与空速u 的关系可由欧根公式来表示，并把欧根公式改写成如下形式：m m m d uK d K uL p ψ-+ψ-=∆ρεεμεε322321)1()()1((1) 式(1)中，以实验数据的空速u 为横坐标，以（Δp m /uL ）为纵坐标画图得一直线，从直线的斜率中求出欧根系数K 2，从直线的截距中计算出欧根系数K 1。
4.2.2流化床 1)基本概念当流体空速趋近某一临界速度u mf 时，颗粒开始松动，床层略有膨胀，床层高度有所增加；当空速继续加大，此时固体颗粒悬浮在流体中作上下、自转、摇摆等随机运动，好象沸腾的液体在翻腾，此时的颗粒床层称为流化床或沸腾床，临界速度u mf 称为起始流化速度。
固体流态化实验指导书
固体流态化实验装置实验指导书固体流态化实验一．实验目的1. 观察聚式和散式流态化的实验现象。
2. 学会流体通过颗粒层时流动特性的测量方法。
3. 测定临界流化速度，并作出流化曲线图。
二．基本原理流态化是一种使固体颗粒通过与流体接触而转变成类似于流体状态的操作。
近年来，这种技术发展很快，许多工业部门在处理粉粒状物料的输送、混合、涂层、换热、干燥、吸附、煅烧和气－固反应等过程中，都广泛地应用了流态化技术。
1. 固体流态化过程的基本概念如果流体自下而上地流过颗粒层，则根据流速的不同，会出现三种不同的阶段，如图12－1所示。
（a）固定床（b）流化床（c）气力输送图12－1流态化过程的几个阶段固定床阶段如果流体通过颗粒床层的表观速度（即空床速度）u较低，使颗粒空隙中流体的真实速度u1小于颗粒的沉降速度u t，则颗粒基本上保持静止不动，颗粒称为固定床。
如图12－1（a）。
流化床阶段当流体的表观速度u加大到某一数值时，真实速度u1比颗粒的沉降速度u t大了，此时床层内较小的颗粒将松动或“浮起”，颗粒层高度也有明显增大。
但随着床层的膨胀，床内空隙率ε也增大，而u1＝u/ε,所以，真实速度u1随后又下降，直至降到沉降速度u t为止。
也就是说，一个明显的上界面，与沸腾水的表面相似，这种床层称为流化床。
如图12－1（b）。
因为流化床的空袭率随流体表观速度增大而变大，因此，能够维持流化床状态的表观速度可以有一个较宽的范围。
实际流化床操作的流体速度原则上要大于起始流化速度,又要小于带出速度，而这两个临界速度一般均由实验测出。
颗粒输送阶段如果继续提高流体的表观速度u，使真实速度u1大于颗粒的沉降速度u t，则颗粒将被气流带走，此时床层上界面消失，这种状态称为气力输送。
如图12－1（c）。
2．固体流态化的分类流态化按其性状的不同，可以分成两类，即散式流态化和聚式流态化。
散式流态化一般发生在液－固系统。
此种床层从开始膨胀直到气力输送，床内颗粒的扰动程度是平缓地加大的，床层的上界面较为清晰。
第五节 流态化基本原理讲解
随着气速的增大，当气速达到ufp时，即进入快速床阶段， 此时，必须依靠提高固体颗粒的循环量才能维持床层密度
形成快速流化床的基本前提条件是：
①流化固体是细颗粒；
②气速超过固体颗粒的终端速度，ufp=3～4ut； ③有一定的循环量，以保证床层有一定的密度。
快速流化床的特点是：
①床层很均匀；
②采用气速高、处理量大；
不均一； ③催化剂在床层中剧烈搅动，造成催化剂颗粒和设备
磨损； ④在生产负荷太低的情况下，流化床操作难以平稳，
操作波动大
2019/7/5
石油加工工程
13
三：提升管中的气-固流动(垂直管中的稀相输送)
气-固输送可以根据密度不同而分为稀相输送和密相输送， 通常以100kg/m3为划分界限 在提升管中，气-固混合物的密度大约十几到几十千克每立 方米，因此属于稀相输送的范围
第五节 流态化基本原理
2019/7/5
石油加工工程
1
一：流态化的形成和转化
1．固定床、流化床及稀相输送
①当气速较小时，催化剂堆紧，为固定床阶段；
②当气速增达到一定程度以后，床层开始膨胀，为膨胀
床；
③当u=umf时，固体粒子被气流悬浮起来做不规则运动， 为流化床阶段；
④继续增大气速至u=ut，催化剂开始被气流带走，为稀 相输送阶段
2019/7/5
石油加工工程
Hale Waihona Puke 72．鼓泡床的一些基本现象
鼓泡床的固体颗粒不是以单个而是以集团进行运动的
鼓泡床的床层包括气泡相和颗粒相两部分
①气泡的形状
②气体返混和固体返混
图1
③气泡的形成
④气节和沟流
2019/7/5
石油加工工程
第五章 固体流态化
第二节 固体流态化(Fluidization)
⒉分离高度（ H 或 TDH）： （Transport Disengaging Height）
固体颗粒上升，必有等量颗粒下降，使颗粒均 匀混合，但导致停留时间不均，固体产品的质 量不均；
⒊强烈的碰撞与摩擦：
颗粒之间、颗粒与器壁之间的碰撞磨损严重， 生成的细粉易被气体带出，加大了损失量；
第二节 固体流态化(Fluidization)
⒋气流的不均匀分布与气固床层的不均匀 接触—聚式流化床的不正常操作
免粉体对环境的污染；容易实现管网化和自动化； 缺点：能耗高，设计和操作不当易使颗粒过度碰撞而磨蚀、
破碎，同时造成管道和设备的磨损。
第三节 气力输送 （Pneumatic transport）
输送类型： 负压体系（吸送式） 正压体系（压送式）
思考题
1.什么是固体流态化？其优点是什么？ 2.什么是固定床？什么是流化床？ 3. 什么是聚式流态化？什么是散式流态化？ 4.流化床的主要特性？气-固流化床中的两种不
RePdPμuρ
u---空床速度
②对非球形颗粒：引入ψ（将式中dP 用ψdP 代替）；
不均匀颗粒：引入比表面积平均直径（邵特直径）；
③球形颗粒εmf =0.4，则上式可写为：
umf0.000 d2 P5 (s9 )g
第二节 固体流态化(Fluidization)
⒉带出速度ut－流化床操作的上限：
ut = 颗粒在流体中的沉降速度
③粒子的湿度：湿度↑→颗粒易粘结→易发生沟流； ④流体分布板设计不完善，或升气孔太少。
固体流态化技术剖析
u=u1＜ut 故颗粒必然回落到界面上。
由此可见，流化床存在的基础是大量颗粒的群
居。群居的大量颗粒可以通过床层的膨胀以调
整空隙率，从而能够在一个相当宽的表观速度
范围内悬浮于流体之中。这就是流化床之可能
2020/10/4
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保持固定床状态的最大空床气速 umax 床层形态由固定床向流化床转换的临界条件：
u1
u u 1,max
max f ixe d be d
u1,max ut
up 0
ut
umax u1,max ut
umax为维持固定床状态的最大表观 气速。
起始流化速度：umf=umax
如果是均一的颗粒，其ut 可以计算出
umf ut fixedbed
u
2020/10/4
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（2）流化床
u1
起始流化速度：umf=umax 此时 u1=ut
如为均匀颗粒，其ut 已知 umf ut fixedbed
ut
当流体的空床流速u>umf时，则出现u1>ut ,即up＞0 ，则颗粒向 上运动。同时引起床层空隙率的改变（增加）。床内的颗粒将
特别注意：总床层高度上的压降近似等于单位
截面床内固体颗粒的重量，与流体速度无关，
是定值。但是，单位床层高度上的压降随着流
体速度增加而减小。
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注意：在流化床的范围内，随着气体速度的增加，床层高度L逐 渐增加，尽管总床的压降基本不变。但是，单位床层高度上的 压降是变化（减小）的。
例5－4床层固存量的近似估计 pf,L1 L1 mL1 在某一各处均匀状态的流化床中，pf,L L mL
第五节 固体流态化
第五节固体流态化§3.5.1、概述将大量固体颗粒悬浮于运动的流体中，使颗粒具有类似于流体的某些特性，这种流固接触状态称为固体流态化。
化工中使用固体流态化技术的例子很多，如催化流化床反应器、流化床干燥器、沸腾床焙烧炉及颗粒的输送。
催化流化床反应器所用的催化剂颗粒要比固定床的小得多，颗粒的比表面积大，这样流体与固体之间的传热，传质速率就比固定床的高；对于流化床干燥器沸腾床焙烧炉也有类似的特点。
§3.5.2、流化床的基本概念现在让我们一起来观察流体通过均匀颗粒时所出现的床层现象。
一、固定床阶段当空床速度（表观速度）较低，此时即颗粒间空隙中流体的实际流速小于颗粒的沉降速度，床层现象为颗粒基本静止不动，颗粒层为固定床。
颗粒床层高度为，此时流体通过颗粒床层的压降为：，可以用康采尼方程来估算；在较大的范围内，可以用欧根方程来估算，一般误差不超过25%。
保持固定床的最大表观速度二、流化床阶段流化床阶段为表观速度增大至一定程度，时，此时，颗粒开始松动，颗粒位置可以在一定的区间内进行调整，床层略有膨胀，当颗粒仍不能自由运动，这时床层处于初始或临界化状态，床层高度增至，如左图所示，而当继续增加，即此时床内全部颗粒将“浮起”，颗粒层将更膨胀，床层高度增大至L，床层内颗粒可以在流体中作随机运动，并同时发生固体颗粒沿不同的回路作上下运动，固体颗粒的这种运动就好象液体沸腾，故流化床也称为沸腾床。
流化床内颗粒与流体之间的摩擦力恰好与颗粒的净重力相平衡，且，但基本不变。
三、颗粒输送阶段若继续增大，且，则颗粒将获得向上上升的速度，其大小为，此时，颗粒将带出容器外，这一阶段称为颗粒输送阶段。
§3.5.3、两种不同流化形式一、散式流化散式流化为固体颗粒均匀地分散在流化介质中，流化床内各处的空隙率大致相等，床层有稳定的上界面，床层压降稳定。
散式流化一般发生于液固系统。
通常两相密度差小的系统趋向散式流化。
二、聚式流化通常两相密度差较大的系统趋向于聚式流化。
第五篇 流态化技术
第五篇流态化技术一、流态化的形成和转化1．固定床、流化床及稀相输送①当气速较小时，催化剂堆紧，为固定床阶段；②当气速增达到一定程度以后，床层开始膨胀，为膨胀床；③当u=umf时，固体粒子被气流悬浮起来做不规则运动，为流化床阶段；④继续增大气速至u=ut，催化剂开始被气流带走，为稀相输送阶段因此，固体颗粒的流化可根据气速划分成三个阶段：①固定床阶段，u<umf；②流化床阶段，umf<u<ut；③稀相输送阶段，u>ut- 50 -版权所有翻印必究版权所有 翻印必究- 52 -在固定床阶段，气体通过固定床颗粒之间的空隙时，因有摩擦阻力而产生压降，摩擦阻力与气体流速的平方成正比，故u ↗，床层压降↗当床层所受压力达到平衡时，床层被悬浮起来而颗粒自由运动。
床层受三个力作用：重力、摩擦力和浮力。
对催化剂来说，其摩擦力与床层压降有关:➢ 固体颗粒的重量为一定值，即V(1-ε)为一定值，因此当气速增大时，V ↗，ε↗，但V(1-ε)不变，因此，△P.F 也不变➢ 随着气速上升，所受摩擦阻力增大，当u 达到ut 时，催化剂的浮力比重力大了，催化剂也就被气体带走了2．气-固流态化域根据流化床中气体的表观气速不同，床层可以分为几种不同的流化状态:固定床、散式流化床、鼓泡流化床、湍动床、快速床和输送床 ①固定床 ②散式流化床 ③鼓泡流化床 ④湍动床 ⑤快速床 ⑥输送床二、流化床的一些基本现象 1．散式流化➢ 没有聚集现象，床层界面平稳，随着气速的增大，床层的空隙率增大，床层膨胀 ➢ 可以用床高与起始流化时的床高之比LB/Lmf 来表示床层的膨胀程度，亦称膨胀比 ➢ 影响膨胀比的因素有固体颗粒的性质和粒径、气体的流速和性质、床径和床高等 ➢ 在催化裂化装置中，催化剂的密相输送就是处于散式流化状态 2．鼓泡床的一些基本现象➢ 鼓泡床的固体颗粒不是以单个而是以集团进行运动的 ➢ 鼓泡床的床层包括气泡相和颗粒相两部分 ①气泡的形状②气体返混和固体返混 ③气泡的形成 ④气节和沟流⑤密相床和稀相➢在流化床床层的顶部有一个波动的界面，界面以下成为密相床，界面以上的空间称为稀相➢气速较低时，稀相和密相之间有明显的界面；随着气速的增大，密相床的密度变小而稀相的密度增大，两相之间的界面逐渐变得不明显⑥催化剂的夹带➢被固体带到稀相的固体颗粒可以分为两部分：★细颗粒：终端速度低于表观速度★较粗颗粒：终端速度比表观速度大⑦输送分离高度(分离空间高度)➢随着气体离开床面向上运动，沿整个容器截面的速度分布趋于均匀，当气体上升至某个高度时，气体分布达到均一，等于表观气速，此时的高度(以床面为基准)即称为“空间分离高度”或“输送分离高度”➢能够继续随气体上升至输送分离高度以上的颗粒只是那些终端速度低于表观气速的细粉，也就是说，在稀相段的颗粒浓度随高度增加而减小，到达输送分离高度以后，颗粒浓度不再降低4．快速流化床➢随着气速的增大，当气速达到ufp时，即进入快速床阶段，此时，必须依靠提高固体颗粒的循环量才能维持床层密度➢形成快速流化床的基本前提条件是：①流化固体是细颗粒；②气速超过固体颗粒的终端速度，ufp=3～4ut；③有一定的循环量，以保证床层有一定的密度。
固体流态化 自己整理
三、流化床的主要特性
液体样特性：
pWA
(a)
7/70
( b)
(c)
(d)
流化床的类似于液体的特性
三、流化床的主要特性
恒定的压力损失： 整个床层受力平衡，即合力为零。
A
p2
2
2
pA mp g ml g
床层颗 床内流 粒质量 体质量
不变
变
流化床的机械能衡算：
L
p p f Lg
1
1
p1
又
ml
AL
第五节 固体流态化
1/70
第五节 固体流态化
固体流态化运用在粉粒状物料的输送、混合、加热或冷 却、干燥、吸附、煅烧和气固反应等过程中。
一、什么是流态化？
浮力 曳力
u（真正速度
重力
(a)固定床
此时流体的真正速 度 u < 颗粒的沉降 速度u0
2/70
(b)流化床
(c)气力输送
此时u= u0 颗粒悬浮于流体中，床层
12/70
13/70
14/70
• 例：某流化床在常压，20°C下操作，固体颗粒群的直径 范围为50—175 微米，平均颗粒直径为98微米，其中直径 大于60微米的颗粒不能被带出，试求流化床的初始流化速 度和带出速度
• 其他已知条件为：固体密度为1000kg/m3,颗粒的球形度为1， 初始流化时，床层的孔隙率为0.4. 20°C的空气粘度为 0.0181mPa.S,密度为1.205kg/m3
ms
s
8/70
三、流化床的主要特性
p f
A
pA
LgA
mp
s
(s
)g＝常数
床层净重量 （重力－浮力）
第五节 流态化基本原理要点
转化率；
②气固流化床由于返混造成催化剂在床层内停留时间
不均一；
③催化剂在床层中剧烈搅动，造成催化剂颗粒和设备
磨损；
④在生产负荷太低的情况下，流化床操作难以平稳， 操作波动大
三：提升管中的气-固流动(垂直管中的稀相输送)
气-固输送可以根据密度不同而分为稀相输送和密相输送，
通常以100kg/m3为划分界限
固体颗粒的重量为一定值，即V(1-ε )为一定值，因此当 气速增大时，V↗，ε ↗，但V(1-ε )不变，因此，△P.F
也不变
随着气速上升，所受摩擦阻力增大，当u达到ut时，催化
剂的浮力比重力大了，催化剂也就被气体带走了
2．气-固流态化域
根据流化床中气体的表观气速不同，床层可以分为几
种不同的流化状态:固定床、散式流化床、鼓泡流化床、 湍动床、快速床和输送床 ①固定床 ②散式流化床
固体颗粒的密相输送有两种形态：
粘滑流动:固体之间互相压紧、阵发性的缓慢向下流动
充气流动:固体颗粒和气体的相对速度较大，足以使固体
流化起来，气-固混合物具有流体的性质，可以向任意方向
流动 在提升管催化裂化装置中，常 用斜管进行催化剂输送
1 密相输送基本原理
盛有水的U型管，右侧有加热器，使该处的水受热而汽化。 U型管的两端顶部均为大气压P0，取阀门两侧的同一高度1， 2两点: 阀门关闭时，两点的压强: 1点: P1 = hρ水 + P0；
当气体的线速大于25m/s时，滑落系数几乎不再变化，其数 值接近1.0，这时提升管内是平推流，返混很小，这样大大 减少了二次反应。对分子筛催化剂是有利的。
2、稀相输送压力降
稀相输送压力降包括如下三部分：
提升管中的气－固流动形态
南京工业大学实验之固体流态化实验
一：实验目的：1）. 观察聚式和散式流化现象；2）. 掌握流体通过颗粒床层流动特性的测量方法；3）. 测定床层的堆积密度和空隙率；4）. 测定流化曲线（p~u曲线）和临界流化速度。
二：基本原理：1）固体流态化过程的基本概念将大量固体颗粒悬浮于运动的流体之中，从而使颗粒具有类似于流体的某些表观性质，这种流固接触状态称为固体流态化。
而当流体通过颗粒床层时，随着流体速度的增加，床层中颗粒由静止不动趋向于松动。
床层体积膨胀，流速继续增大至某一数值后，床层内固体颗粒上下翻滚，此状态的床层称为“流化床”。
床层高度L、床层压强降Δp对流化床表现流速u的变化关系如图（a）、（b）所示。
图中b点是固定床与流化床的分界点，也称临界点，这时的表观流速称为临界流速或称最小流化速度以u mf表示。
流化床的L、△P对流化床表观速度u的变化关系图1—9 流化床的L、△P对流化床表观速度u的变化关系对于气固系统，气体和粒子密度相差大或粒子大时气体流动速度必然比较高，在这种情况下流态化是不平稳的，流体通过床层时主要是呈大气泡形态，由于这些气泡上升和破裂，床层界面波动不定，更看不到清晰的上界面，这种气固系统的流态化称为“聚式流态化”。
对于液固系统，液体和粒子密度相差不大或粒子小、液体流动速度低的情况下，各粒子的运动以相对比较一致的路程通过床层而形成比较平稳的流动，且有相当稳定的上界面，由于固体颗粒均匀地分散在液体中，通常称这种流化状态为“散式流态化”。
2）床层的静态特性床层的静态特性是研究动态特征和规律的基础，其主要特征（如密度和床层空隙率）的定义和测法如下：(1) 堆积密度和静床密度ρb=M/V（气固体系）可由床层中的颗粒质量和体积算出，它与床层的堆积松紧程度有关，要求测算出最松和最紧两种极限状况下的数值。
(2)静床空隙率ε=1-（ρb/ρs）3）床层的动态特征和规律(1)固定床阶段床高基本保持不变，但接近临界点时有所膨胀。
床层压降可用欧根（Ergun）公式表示。
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第五节固体流态化
§3.5.1、概述
将大量固体颗粒悬浮于运动的流体中，使颗粒具有类似于流体的某些特性，这种流固接触状态称为固体流态化。
化工中使用固体流态化技术的例子很多，如催化流化床反应器、流化床干燥器、沸腾床焙烧炉及颗粒的输送。
催化流化床反应器所用的催化剂颗粒要比固定床的小得多，颗粒的比表面积大，这样流体与固体之间的传热，传质速率就比固定床的高；对于流化床干燥器沸腾床焙烧炉也有类似的特点。
§3.5.2、流化床的基本概念
现在让我们一起来观察流体通过均匀颗粒时所出现的床层现象。
一、固定床阶段
当空床速度（表观速度）较低，此时
即颗粒间空隙中流体的实际流速
小于颗粒的沉降速度
，床层现象为颗
粒基本静止不动，颗粒层为固定床。
颗粒床层高度为
，此时流体通过颗粒床
层的压降为：
，可以用康采尼方程来估算；
在较大的
范围内，可以用欧根方程来估算，一般误差不超过
25%。
保持固定床的最大表观速度
二、流化床阶段
流化床阶段为表观速度增大至一定程度，
时，此时
，
颗粒开始松动，颗粒位置可以在一定的区间内进行调整，床层略有膨胀，当
颗粒仍不能自由运动，这时床层处于初始或临界化状态，床层高度增至
，如
左图所示，而当继续增加，即
此时床内全部颗粒将“浮起”，颗粒层将更膨胀，床层高度增大至L，床层内颗粒可以在流体中作随机运动，并同时发生固体颗粒沿不同的回路作上下运动，固体颗粒的这种运动就好象液体沸腾，故流化床也称为沸腾床。
流化床内颗
粒与流体之间的摩擦力恰好与颗粒的净重力
相平衡，且
，但
基本不变。
三、颗粒输送阶段
若继续增大，且
，则颗粒将获得向
上上升的速度，其大小为
，
此时，颗粒将带出容器外，这一阶段称为颗粒输送阶段。
§3.5.3、两种不同流化形式
一、散式流化
散式流化为固体颗粒均匀地分散在流化介质中，流化床内各处的空隙率
大致相等，床层有稳定的上界面，床层压降稳定。
散式流化一般发生于液固系统。
通常两相密度差小的系统趋向散式流化。
二、聚式流化
通常两相密度差较大的系统趋向于聚式流化。
如气固系统的流化床中，超过流化所需最小气量的那部分气体以气泡形式通过颗粒层，上升至床层上界面时就立即破裂。
在气泡内一般夹带有少量的固体颗粒。
聚式流化床一般存在两相，一相是空隙小，而固体浓度大的气固均匀混合物构成的连续相，另一相则是夹带有少量固体颗粒而以气泡形式通过床层的不连续相，称为气泡相。
特点：床层内各点处不再处处相等，床层无稳定的上界面，上界面以某种频率作上下波动，床层压降也随之作相应波动。
§3.5.4、流化床的液体样特性
从整体看，流化床宛如沸腾着的液体显示某些液体样的性质，如图所示：
1）、流化床中固体颗粒可以从容器壁的小孔喷出，并象液体那样能从一个容器进入另一个容器；
2）、比床层密度小的物体可很容易地推入床层，而一松开，它就弹起并浮在床层表面上；
3）、容器倾斜时，床层的上表面保持水平，而且当两个床层连通时，它们的床层自行调整至同一水平面；
4）、床层中任意两界面的压强变化大致等于这两界面间单位面积床层的净重力；其中，固体颗粒的流出是一个具有实际意义的重要特性，它使流化床操作能够实现固体的连续加料和卸料。
§3.5.5、流动阻力
一、理想流化床的特性
理想情况下，流动阻力产生的压强降随空塔气速的关系，如图所示，解释如下：
1、固定床阶段
较低，床层静止不动，
，如图中AB段所示，AB段
的压降可用欧根公式计算，误差不大于
25%，继续增大，床层
恰等于单位
面积床层净重力时，流体在垂直方向上
给予床层的作用力刚好能够把全部床
层颗粒托起，此时，床层变松并略有膨
胀，但固体颗粒仍保持接触而没有流
化，如图中的BC段所示。
2．流化床阶段
，颗粒被托起，床层高度随↑而↑，但
不变=净重力，流化床阶段的
～关系如图中CD所示。
若↓，则
均↓，
～仍沿D线返回，当到达C点时，固体颗粒就互相接触而成为静止的固定床；
若继续↓，床层不再沿CBA折线变化，而是沿线变化。
AB与
比较，相同时，，这是因为床层曾被吹松，它比从未被吹松过的固定床具有较大的空隙率。
C点对应的流速称为临界流化速度，是最小的流化速度，操作时流化速度必须大于临界流化速度。
起始流化时，
即
流化阶段，但不变仍等于
恒定的压降是流化床的重要优点，它使流化床中可以采用细小颗粒而不需要担
心过大的压降。
对于气固系统，则（单位面积床层的重力）
3、气流输送阶段
，床层上界面消失，床层，所有颗粒都悬浮在气流中并被气流带走，
颗粒上升速度为，此阶段称为气流输送阶段，所以是流化床操作所允许的理论上的最大气速（表观气速）。
二、实际流化床的特性
实际流化床的～关系有别于理想情况，如图所示，实际流化床与理论
流化床的～关系的区别：
1、出现“驼峰”，因为固定床颗粒之间相互紧靠因而需要较大的推动力才能使
床层松动，直至颗粒松动到刚能悬浮时，即出现“驼峰”降到水平阶段DE；
2、，，净重力不变，而摩擦力↑，故；
3、气泡长大时，，气泡破裂时，，围绕DE上下波动；
4、与DE线交点对应的气速为，相应的为。
三、流化床的不正常现象
1、沸涌现象
如果床层高度：床径的比值（长径比）过大（床层
为细长形），或气速过高时床层内就会发生小气泡
合并成大气泡的现象，当气泡直径长大到床层直径
相等时，则气泡将床层分为几段，形成相互间隔的
气泡与颗粒层，颗粒层象活塞那样被气泡向上推
动，在达到上部后气泡崩裂，而颗粒则分散下落，
这种现象称为沸涌现象。
如图所示：
出现沸涌现象时，由于颗粒层与器壁的摩擦造成压强降大于理论值，而在气
泡破裂是又低于理论值，因而
～图上表现为
在理论值附近作大幅度的
波动，如图所示：
床层发生沸涌现象时，气固两相接触
不良，且使容器受颗粒磨损加剧，同
时引起设备振动。
防止沸涌现象的措施：实际操作中应采用适宜的床层高度/床径之比值，以
及适宜的操作气速。
2、沟流现象
在大直径床层中，由于颗粒堆积不匀或气体初始分布不良，可在床内局部地方形成沟流。
此时，大量气体经过局部地区的沟道上升，如图示，而床层的其余
部分处于固定床状态而未被流化。
～的关系为
低于单位面积上的净重
力。
沟涌现象的出现主要与颗粒的特性和气体分布板有关。
颗粒过细、密度过大，易于粘结的颗粒，以及气体在分布板的初始分布不均匀，都宜引起沟流。
综上所述，通过观察流化床的压强降
及其变化情况可以判断流化床操作
是否正常。
§3.5.6、流化床的操作范围
流化床的流速
一、起始流化速度
1、实测法
一般用空气作流化介质测得
～曲线（如前图）直接读数，若实际操作
流化介质不同于空气时，则
2、计算法
由于临界点是固定床与流化床的交叉点，所以临界点的压强降既符合流化床的规律也符合固定床的规律。
小颗粒，一般，
则由欧根公式第一项与联立求得。
若已知，则可求得。
工程上不易获得，但对于常见颗粒且粒度均布则存在
，
∴
二、流化床的操作范围
一般来衡量
细颗粒
实际操作气速或
此值是气速波动范围的指标。
§3.5.7、影响流化质量的因素
流化质量是指流化床均匀的程度，即气固接触的均匀程度。
一、分布板
二、设备内部的构件
三、粒度分布。